量子材料研究前沿｜npj Quantum Materials
所谓量子材料，当前比较公认的范畴覆盖了凝聚态物质中的“关联量子系统”。这些系统或者说材料所表现的性质，难以用凝聚态物理教科书所涵盖的单电子理论来描述。例如，导电行为偏离了金属电子气基本特征的金属材料、磁性材料、包含有d电子和/或f电子的半导体及绝缘体等电子-电子相互作用不能忽略的材料，都统归在量子材料范畴内。推而广之，那些处于研究前沿的凝聚态和材料科学领域基本上都有量子材料在扮演重要角色，如超导、磁性、铁电、光电半导体、催化、储能、热电、光伏转换等领域。
在研究方法上，为了将量子材料中的这些关联效应提取出来，一种普适的方法是将材料温度降低到几十开尔文甚至几开尔文。此时，我们可以将电子-电子相互作用效应从高温区热涨落效应中隔离出来，从而得以对量子材料中深刻的量子凝聚态内涵有深入和定量的理解。诚然，量子材料中诸多物理效应都是大量基本粒子（如电子和可以量子化的准粒子）集体激发的结果，它们对外场如电场、磁场、应变、温度等的响应也成为我们理解并应用这些量子材料的必要知识。丰富并不断更新我们的这些知识，为已有和未来的应用开疆破土，即是量子材料研究的主要任务。
以下专题研究及综述均来自npj Quantum Materials，一本致力于令人振奋的量子材料研究期刊，展示了近期发表的量子材料前沿研究的广度和深度，或能为科研工作带来新的启发，欢迎选阅。
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量子材料研究前沿论文精选
Turning charge-density waves into Cooper pairs
Chikina et al
固体物理中，超导和电荷密度波的关系依然是一个悬而未决的问题。尽管能经常看到它们在相图中相互毗邻，但人们一直不清楚它们到底是相互竞争、相互合作亦或是各自独立存在。电荷密度波中的电荷序与超导中的库珀对这两种现象都来自于材料中的电子相互作用。本文中，作者通过深入的实验探索，揭示出在Pd掺杂的2H-TaSe2体系中，如果移动范霍夫奇点的能量位置，可以压缩电荷密度波并使超导增强一个量级以上。这一结果有可能会对进一步理解铜氧化合物高温超导现象有所启示。
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The sub-band structure of atomically sharp dopant profiles in silicon
Mazzola et al
硅基器件的尺寸现在已经缩小至单原子尺度，其中最吸引人的一类问题是任何理解硅层中掺杂浓度很高的硅:磷δ层。这篇文章报道了利用角分辨光电子能谱研究内植式硅:磷δ层的子带结构。作者揭示出存在三个不同的子带，这与已发表的理论工作不同。作者认为第三个子带来自于量子阱结构中介电常数的增强。这个工作对进一步开发硅基量子器件和理解量子阱中量子禁闭的基础物理都很有价值。
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Separate tuning of nematicity and spin fluctuations to unravel the origin of superconductivity in FeSe
Baek et al
铁基超导体的主要特征乃结构、向列序、磁性与超导之间的复杂相互作用。揭示这些相互作用一直都是巨大的挑战。本工作对铁基超导体系列中可能是最简单的体系---铁硒(FeSe)---进行了77Se核磁共振测量。通过选取合适的掺杂，作者能够实现对向列序和自旋涨落进行独立调控：把铁部分替换为钴，不会影响向列态，但会在Fe1-xCoxSe中压制自旋涨落。而等电子替换硒为硫，不会影响自旋涨落，但却会压制FeSe1-ySy的向列序。结合超导测量，作者阐述超导相变温度随自旋涨落增强而提升，同时伴随着向列序形成温度的下降。
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Strong local moment antiferromagnetic spin fluctuations in V-doped LiFeAs
Xu et al
在所有铁基超导体中，以锂铁砷的化学掺杂效果最为独特。通过少量的钒来部分替代铁，可以显著消除超导。举例来说，LiFe0.955V0.045As就完全丧失了超导电性。通过中子散射测量，本文作者发现：处于超导态的锂铁砷原本展现出横向非公度自旋激发，到了LiFe0.955V0.045As中就变成了拉长的纵向变形自旋激发，同时伴随着磁性散射增强。结合密度泛函理论和动力学平均场计算，实验中所观测到的磁性行为起源可以理解为：钒掺杂会扩展空穴带宽，从而增强电子-空穴嵌套。除此之外，钒掺杂也增强了轨道间的散射，不利于超导。
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Experimental identification of quantum spin liquids
Wen et al
量子自旋液体是一种新奇物态——其中长程纠缠的自旋由于量子涨落效应无法凝聚成有序态。这一新奇物态不涉及任何自发对称性破缺，而且对于它的理解已超出传统相变理论范畴。正是因为量子自旋液体所具有的诸如长程纠缠和分数量子激发等奇特物理与有趣特性（据信在量子通信和量子计算方面拥有巨大潜力），自从凝聚态物理的传奇人物菲利普安德森1973年提出这一概念后，相关问题得到广泛关注。但是，从实验上来确定量子自旋液体，一直以来都是一个巨大挑战。在这篇简短综述中，作者概述了有关量子自旋液体的基础知识，归纳总结了若干典型候选材料，并且着重描述了最近报道的一系列有趣实验进展。他们还对未来研究值得关注的课题作了展望。
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Trompe L’oeil Ferromagnetism
Sang-Wook Cheong
晶体中的演生物理现象常常源于特定对称性破缺。具有非零磁矩的铁磁体会有一些典型的物理性质，例如磁性吸引/排斥、磁圆二色性、磁光克尔效应、法拉第效应、各种反常霍尔型（霍尔、埃廷斯豪森、能斯特和热霍尔）效应等。人们发现，只要打破某些特定对称性，即便在没有磁性或零磁矩的体系中也可以看到这些类铁磁效应。这些类铁磁性效应被称为所谓虚拟铁磁性。本文首次全面系统地揭示了所有类铁磁性现象与破缺对称性之间的关系，列举了每种类铁磁行为所对应特定对称性破缺。基于这些对称性破缺，本文提出很多有价值的预言，并期待实验验证这些预言和提供相关微观机制加以解释。
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Direct observation of a uniaxial stress-driven Lifshitz transition in Sr2RuO4
Sunko et al
在关联电子体系中，（准）二维材料中同范霍夫奇点相关联的物理效应研究有着很长的历史。人们可利用单轴压力在实验上实现并调控范霍夫奇点。本工作进一步推进这一研究，并发展了电子结构的直观可视化方法，用以展示单轴应力如何改变费米面的拓扑结构。这一研究可提供一个非常有用的量子多体研究平台，从而帮助人们理解范霍夫奇点对超导、磁性和费米液体物理及其它物理的影响。这也是一个极好的范例，显示如何更好地发展研究量子材料的理论工具。
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A tunable and unidirectional one-dimensional electronic system Nb2n+1SinTe4n+2
Zhu et al
从很多方面讲，受限于一维空间的电子对量子材料中的量子多体物理有很重要的意义。举例而言，我们都知道一维情况下的诸多量子效应都表现抢眼。而对建立一个好的理论方法或框架而言，一维体系最易于展现清晰的物理图像。不过，因为若干原因（本文亦有指出），寻找易于表征和易于调控、且又贴近于理论模型的实验体系并非易事。本文针对一种成分可调且链间耦合也易于调控的新体系，开展了一系列令人信服的表征研究，揭示出这可能是一类相对简单的一维电子系统。由此，我们可以对量子材料的若干重要课题开展探索工作。
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npj Quantum Materials 创刊于2016年，由Springer Nature 和南京大学共同出版。该刊发表经同行评审的高质量的原创论文，以及评论、编读往来、会议报告等内容，涵盖量子材料及其基本特性、制造和应用等，反映该领域的最新科学进展。
2019年期刊指数：
IF: 6.562
H Index: 23
SJR: 3.26
SNIP: 1.77
JCR分区:
Q1 Condensed Matter Physics – SCIE
Q1 Electronic, Optical and Magnetic Materials
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量子材料研究前沿文章合集
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